طراحی پارامتریک چیست؟

طراحی پارامتریک یک پروسه ی بر پایه تفکر الگوریتمیک می باشد که یک سری پارامتر و قوانین همراه یکدیگر روابط بین “هدف طراحی ” و “نتیجه طراحی را تعریف و روشن می کنند. طراحی پارامتریک یک پارادایم طراحی است که در آن روابط بین المان ها، تکثیر هندسه و فرم های پیچیده را رقم می زند. کلمه پارامتریک از مبحث “معادله پارامتریک در ریاضیات منشا می گیرد و اشاره به استفاده از پارامترها و متغییرهای مشخص که می باشد که می توان با تغییر آن ها نتیجه یک سیستم یا معادله را ویرایش کرد. طراحی پارامتریک یک ایده جدیدی نیست و از قدیم به بخشی از معماری و طراحی شکل بخشیده است. توجه به تغییر نیروهای حاکم مانند آب و هوا، جهت دهی، فرهنگ و کاربری همیشه بخشی از پروسه ی طراحی بوده است.

سیستم های مدلسازی پارامتریک را می توان به دو بخش تقسیم کرد:

• سیستم های انتشاری که در آن با کمک یک مدل “جریان داده پارامتر های شناخته شده یا نشده محاسبه می شوند

• سیستم قیدی که در آن یک مسئله بر اساس سری محدودیت های پیوسته و گسسته حل می گردد.

برای مثال تکنیک فرم یابی (Form-finding) یک استراتژی بر پایه سیستم انتشاری است. فرم یابی در واقع بهینه سازی اهداف طراحی با توجه به قید های طراحی می باشد.

طراحی پامتریک قیاسی (Analouge)

یکی از قدیمی ترین مثال های طراحی پارامتریک را می توان مدل معکوس شده ی کلیسا ها توسط آنتونی گائودی دانست. او در طراحی کلیسای Colonia Guell یک سری مدل های سیمی شکل طراحی کرد که توسط وزنه هایی آویزان بودند. با عکوس کردن فرم بدست آمده او سقف ها و قوس های پیچیده ای را طراحی کرد. با تنظیم محل وزنه ها و یا طول سیم ها او توانست شکل هر قوس تغییر داده و با قرار دادن یک آیینه در زیر مدل فرم بدست آمده را مشاهده کند.

 مشخصات روش طراحی

در مثال بالا تمامی مشخصات یک طراحی پارامتریک ( ورودی ها ، معادله، خروجی) مشاهده می شود:

• طول سیم ها، وزنه های آویزان، نقاط تکیه گاهی بخش ورودی های مستقل را شکل می دهند
• موقعیت نقاط روی سیم ها به عنوان خروجی سیستم می باشد
• فرم بدست آمده توسط معادلات صریح (Explicit Functions ) بدست آمده است که در این مورد بخصوص ثقل و قوانین نیوتن می باشد

با ویرایش تک تک پارامترها گائودی این امکان را داشته است که مدل های متفاوتی از فرم را بدست آورده و مورد مطالعه قرار دهد افزون بر اینکه از تحت فشارخالص بودن اعضا مطمئن باشد. بجای محاسبه دستی معادلات پارامتریک او توانست به شکل اتوماتیک هندسه منحنی های زنجیرواره را تحت ثقل بدسته بیاورد.

 Sketchpad

در حالی که گائودی از قوانین فیزیکی برای افزایش سرعت محاسبات خود استفاده کرد شخصی به نام Ivan Sutherland بر روی قدرت تحلیل کامپیوتر ها متمرکز شد. او یک نرم افزار تعامل گرای CAD (طراحی با کمک کامپیوتر) به نام Sketchpad طراحی کرد. کاربران می توانستند با کمک یک قلم نوری خطوط و قوس هایی را ترسیم کنند که با قیودی به هم مرتبط بودند. این قیود شامل تمامی مشخصات لازم برای ایجاد یک معادله پارامتریک بودند. کاربران می توانستند با تغییر پارامترها و مشخصات طراحی به بررسی و جستجو در فرم های مختلف بپردازند در حالی که محاسبات و طراحی مجدد فرم را به Sketchpad واگذار می کردند.

معماری

طبیعت همیشه به عنوان یک الهام برای طراحان و معماران بوده است. تکنولوژی که کامپیوتر به همراه خود آورده است به طراحان و معماران ابزار هایی برای آنالیز و شبیه سازی پیچیدگی های مشهود در طبیعت را داده که امکان استفاده از آن در فرم سازه ساختمان ها و الگوی مدیریت شهری را فراهم کرده است. در دهه ۱۹۸۰ معماران و طراحان از کامپیوتر هایی بهره بردند که توسط نرم افزار های صنعت هوافضا و علوم تصویر توسعه یافته بودند. یکی از اولین معماران و تئوریسین هایی که از کامپیوتر برای طراحی معماری بهره برد گرگ لین (Greg Lynn) بود. معماری حبابی (blob)  و فولدینگ (fold) مثال هایی از معماری بر پایه کامپیوتر است که گرگ لین معرفی کرد. چند نمونه استفاده از طراحی پارامتریک در صنعت ساختمان در تصاویر زیر نمایش داده شده است:

Metz Pompidou by Shigeru Ban

John Curtin School of Medical Research  by Lyons Architecture

Bird’s Nest by Herzog & de Meuron

Water Cube by PTW Architects

Galaxy Soho by Zaha Hadid Architects

نرم افزار

در میان طراحان بدون شک افزونه ی گرس هاپر (Grasshopper3d) برای نرم افزار مدلساز سه بعدی راینو (Rhino3d) یک ابزار مناسب و قدرتمند طراحی فرم های پیچیده و تکرار شونده می باشد.این افزونه به طراحان اجازه می دهد که بدون نیاز به آموختن برنامه نویسی ٬برای مثال Rhinoscript به روش مبتکرانه ای بتوانند در دنیای طراحی به اکتشاف فرم های خلاقانه و جدید بپردازند. گرس هاپر در کنار نرم افزار GC (Generative components) که از نرم افزار های تولید فرم های پیشرفته توسط برنامه نویسی صرف است به شهرت رسیده است و به دلیل آسانی کار گوی سبقت را نسبت به Rhinoscript و GC ربوده و در زمینه جذب طراحانی که به سمت هندسه های پارامتریک متمایلند موفق بوده است.

طراحی الگوریتمیک و تکرار شونده در حال تبدیل شدن به یکی از گرایش های محبوب در حرفه معماری می باشد و در این میان نقش سرعت بخشی به این حرکت توسط افزونه ی گرس هاپر بدون انکار است. قدرت این نرم افزار در طی این سال ها با معرفی شدن افزونه های مختلفی در زمینه معماری، شهرسازی، مدلسازی دینامکی، آنالیز سازه، آنالیز انرژی و روش های بهینه سازی قدرت آن افزایش یافته است.

گرس هاپر دستورهای مدلسازی را به شکل یک زبان برنامه نویسی نمایشی (Visual Programming Language) به کار برده و با آن می توان هندسه را تولید و ویرایش کرد. در این افزونه دستور ها به شکل یک گره (Node) تولید می شوند که با اتصال هر گره می توان یک الگوریتم ترسیم ایجاد کرد. Grasshopper بر پایه گراف ها می باشد بدین شکل که پارامترهای فرم را بوسیله گره ها ٬که در واقع تابع های از پیش تعیین شده است٬ به هم مرتبط می کند. تغییر دادن پارامتر ها از طریق ارتباط گره ها بازسازی شده و فرم جدید را تولید می کند. Grasshopper در انتهای سال ۲۰۰۷ معرفی شده است و تا بحال ابزار ها و افزونه های متنوعی در رشته های متعدد به آن افزوده شده است. کاربرد اصلی Grasshopper برای تولید الگوریتم های مولد (Generative) می باشد که هنر مولد (Generative art) یک حوزه از آن می باشد.

گرس هاپر به طراحان این امکان را می دهد که فرم های پیچیده را به صورت پارامتر های مشخص تعریف کرده و با تغییر این پارامتر ها تغییرات فرم را به صورت زنده مشاهده کنند. تغییر دادن فرم پیچیده توسط پارامتر های اصلی این امکان را می دهد که معمار ها راحت تر و سریع تر به فرم های دلخواه رسیده و در کنار آن یافتن فرم های بیهنه از نظر تابع هدف نیز آسان تر گردد. جالب تر اینکه احجام ساخته شده با این نرم افزار قابلیت انتقال به نرم افزار های سازه ای (مانند Sap2000,Strand) و همچنین نرم افزارهای آنالیز انرژی (مانند Diva-for-Rhino و Ecotect) را به سادگی دارند. دانشگاه های بزرگ مانند Harvard و MITتوانسته اند به این افزونه ها دستور های مرتبط با سازه، انرژی و ساخت را بیافزایند.

طراحی الگوریتمیک (پارامتریک)

اگر به معماری به شکل حجم در فضا نگاه کنیم همیشه با هندسه و ریاضی به منظور طراحی آن سر و کار خواهیم داشت. تاریخ معماری هر دوره ای به شکلی با هندسه در ارتباط بوده است. معماری اسلامی و تزینات ساختمان ها مثال هایی هستند که نشان می دهد معماری با هندسه و ریاضی رابطه قوی داشته است. در دوران اخیر به علت گسسته شدن رشته های معماری و مهندسی این ارتباط تضعیف شده ولی در اوایل قرن ۲۱ با نفوذ هر چه بیشتر کامپیوتر در حوزه معماری و کمک به خلق فرم های جدید توسط این ابزار متعلقات علوم کامپیوتر نیز به معماری راه یافت. با تعریف فرم به صورت قدم هایی مشخص و تعریف شده که به اصطلاح الگوریتم خوانده می شود فرم های جدید به سمت علمی تر شدن پیش رفته اند. این اتفاق میمون باعث شده است که ارتباط بین طراحی و ریاضی به شکل محکم تری شکل گیرد. در این میان ترکیب رشته های هندسه محاسباتی (Computational Geometry) و برنامه نویسی کامپیوتری که بر پایه ریاضی است باعث ظهور مبحث جذاب جدیدی به نام Generative Algorithm و یا الگوریتم های مولد هندسه شده است.

با اینکه نرم افزار های سه بعدی به طراحان این توانایی را داده اند که تقریبا هر حجم تصور شده ای را بتوان ترسیم کرد ولی این الگوریتم مولد بوده است که طراحی بر پایه پارامتر ها را وارد بحث طراحی کرده است. در این میان طراحان به منظور بررسی حجم های متفاوت از هندسه اقلیدسی، شروع به طراحی فرم های آزاد بر پایه منحنی و سطوح آزاد کردند. طراحی فرم های آزاد پیچیده که عملا دارای واحد های سازنده می باشند مسئله ای بود که توسط روش های سنتی به این راحتی قابل هضم نبوده است. به همین دلیل در این دوران قدرت الگوریتم ها و کد های برنامه نویسی است که علم معماری را به جلو می راند. این بدیهی است که حتی برای ترسیم احجام پیچیده نیاز به ابزار های مناسب داریم که بتوانیم ایده را با آن شبیه سازی کرده و با تغییر پارامتر های آن به فرم دلخواه برسیم. نتیجه این است که طراحان ترجیح می دهند که با ابزار هایی مثل الگوریتم های مولد ، فراکتال ها (Fractals)، اتوماتای سلولی (Cellular Automata)، دیاگرام ورونوئی (Voronoi)، سيستم هاي ليندنماير (L-system)، مثلث بندی (Triangulation) ، فرمول برتر (Superformula) و دیگر الگوریتم های خاص پا به عرصه ای فراتر از احجام معمول و موجود بگذارند. افق و آینده این حرکت پچیدگی همراه با تنوعی است که آرزو و خلاقیت معمار را به واقعیت تبدیل می کند.

برخلاف روش معمول ترسیم احجام ، مدل سازی حجم با الگوریتم مولد بر پایه اعداد ، هندسه و محاسبات استوار است. حتی اگر با حجم آزاد شروع به طراحی کنید آن حجم باید در ابتدا به پارامتر هایی مشخص متصل شود. نتیجه کار مسیر هایی است که همگی به هم مرتبط اند و با تغییر پارامتر های تعیین کننده، مسیر کل محاسبات تغییر کرده و حجم بدست آمده تولید می شود. ذکر این نکته نیز ضروری است که استفاده از روش های الگوریتمیک برای تولید حجم باعث کاهش فاحش اختلافات بین رشته های مرتبط با معماری مثل سازه، انرژی، تاسیسات، شهرسازی و عرصه ی ساخت خواهد شد. نرم افزار هایی مثل گرس هاپر توانسته اند به خوبی فاصله ی بین حوزه ی طراحی و ساخت را نیز پر کنند. علومی که بر پایه CAD/CAM در حال گسترشند در تلاش برای ایجاد ارتباط بین صنعت ساخت و طراحی معماری هستند که مطمئنا از ابزارهایی که توانسته است این ارتباط را به خوبی ایجاد کند گرس هاپر می باشد.

سر فصل هایی که طراحی الگوریتمیک آن ها را در بر می گیرد عبارتند از:

خلق منحنی ها و سطوح آزاد

ویرایش و تغییر شکل پارامتریک فرم

طراحی سطوح باز و بسته شونده

طراحی زایشی

نمونه سازی دیجیتالی و ساخت

قطعه بندی و مدول سازی

نویسنده : محمد یزدی